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UPAEP 2019

Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla

[DIPLOMADO EN REDES] Guía de Estudios para la Certificación CCENT/CCNA ICND1

UPAEP 2019 [Diplomado en Redes]

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Capítulo 5: Fundamentos del IP Addressing y Routing

Este capítulo explica cómo trabaja la capa 3 del modelo OSI en cuanto a la forma de entregar datos

entre dispositivos que se encuentran muy lejanos entre sí y teniendo muchas redes diferentes entre

ellos.

Se explicará cómo para la capa 3 de OSI (capa de red) no es imposible realizar una entrega de datos de

un punto a otro independientemente del número y tipo de redes físicas existentes entre dos

computadoras, ya que esta capa es la encargada de reenviar o rutear los datos entre los dos

dispositivos.

Se cubrirán los fundamentos de cómo la red rutea paquetes de datos de una computadora a otra e

implícitamente se estudiarán TCP e IP.

En esta sección se iniciará con una visión general de routing, logical addressing y protocolos de ruteo. A

continuación, se detallará en la capa de red del modelo TCP/IP, particularmente en los temas de IP

Addressing, ruteo, protocolos de ruteo y utilidades de la capa de red.


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Temas Fundamentales

Los protocolos equivalentes a la capa 3 del modelo OSI definen cómo son entregados los paquetes

desde que salen de la computadora que los creó y hasta la recepción por la computadora que necesita

recibirlos.

La capa de red del modelo OSI define los siguientes conceptos:

Routing: Es el proceso de reenviar paquetes (PDUs de capa 3).

Logical Addressing: Son las direcciones que pueden ser usadas independientemente del tipo de las

redes físicas usadas, proveyendo a cada dispositivo de por lo menos una dirección. El Logical Addressing

habilita al proceso de ruteo para identificar el origen y destino de un paquete.

Protocolo de Ruteo: Es un protocolo que auxilia a los ruteadores aprendiendo dinámicamente los

grupos de direcciones en la red, lo que permite que el forwarding trabaje correctamente.

Otras utilidades: La capa de red también trabaja con otras utilidades. Para TCP/IP, estas utilidades

incluyen el Domain Name System (DNS), el Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), el Address

Resolution Protocol (ARP) y el ping.

NOTA: El término path selection o elección de ruta en ocasiones se usa como sinónimo de protocolo de

ruteo, en ocasiones se usa para referirse al routing o forwarding de los paquetes y otras veces se utiliza

para ambas funciones.

Visión General de las Funciones de la Capa de Red

Un protocolo que define routing y logical addressing es considerado un protocolo de capa 3 o capa de

red. OSI define un protocolo único para la capa 3 que es llamado Connectionless Network Services

(CLNS). Existen muchos protocolos para esta capa, pero el más común y que se utiliza en todo el mundo

es el protocolo de capa de red TCP/IP, hablando específicamente, el protocolo IP.

El trabajo principal del protocolo IP es rutear los paquetes de datos de su host origen a su host destino.

IP es un protocolo connectionless -es decir, que “no requiere conexión”-, debido a que trabaja de una

forma muy simple y no requiere enviar ni recibir mensajes antes de enviar un paquete. IP intenta enviar

el paquete pero si un router o el proceso de un host no pueden entregar el paquete, éste simplemente

es descartado sin error recovery. La idea es que los paquetes IP sean muy pequeños para poder manejar

correctamente un gran volumen de éstos. Existen otros protocolos que sí realizan el error recovery y de

ellos se hablará más adelante.

Routing (Forwarding o reenvío)

El ruteo se enfoca en la lógica del reenvío de datos punto-a-punto. La lógica es como se muestra en la

siguiente figura.


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Fig. 23 Lógica del Routing: PC0 envía a PC1

Lógica de PC0: Enviar Datos Al Router Más Cercano

En este ejemplo, PC0 tiene datos por enviar a PC1, pero PC0 y PC1 no se encuentran en la misma

Ethernet, así que PC0 necesita enviar los datos a algún router que pertenezca a la misma Ethernet que

PC1. El remitente envía un frame de enlace de datos incluyendo el paquete, a través del medio a su

router cercano. Ese frame utiliza addressing de la capa 2 de enlace de datos dentro de su header de

enlace de datos para asegurarse de que el router cercano reciba el frame. Podemos notar que PC0 no

sabe cómo está hecha la red y sólo le interesa enviar el paquete al Router0.

Lógica de R0 y R1: Rutear Los Datos a Través De La Red

R0 y R1 usan el mismo proceso general para rutear el paquete. La routing table o tabla de ruteo para

cualquier protocolo particular de la capa de red contiene una lista de address groupings o grupos de

direcciones de la capa de red. De este modo, en lugar de tener almacenada una dirección

correspondiente a cada host, se tendrá una dirección por cada grupo de hosts. El router revisa la

dirección IP destino y define si corresponde a alguna red cuya dirección tiene almacenada en su tabla.

Así el router sabrá a dónde reenviar a continuación ese paquete. Así todos los routers que intervienen

repetirán el proceso hasta que el paquete sea entregado al router que se encuentra conectado a la red o

subred del host destino.

Lógica de R2: Entregar Los Datos Al Destino Final

El último router usa casi la misma lógica que todos los anteriores, con la diferencia de que reenvía el

paquete directamente al host final y no a otro router.

Interacción de la capa de red con la capa de enlace de datos

Cuando el protocolo de la capa de red está procesando el paquete, ésta decide enviarlo a través de la

interfaz de red apropiada. Antes de que los bits sean colocados dentro de esa interfaz física, la capa de

red debe entregar el paquete a los protocolos de la capa de enlace de datos, los cuales solicitan a la

capa física enviar los datos, agregando por supuesto el header y trailer apropiados al paquete, creando

un frame antes de enviar los datos sobre la red física. El proceso de routing reenvía únicamente el

paquete sin ningún header ni trailer de la capa de enlace de datos. Los procesos de la capa de red

entregan el paquete punto-a-punto, usando headers y trailers de enlace de datos sucesivos solo para

hacer llegar el paquete al siguiente router o host en el camino. Como referencia al ejemplo anterior, se

muestra en la siguiente figura la lógica de encapsulamiento en cada dispositivo.


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Fig. 24 Encapsulación de la Capa de Red y la Capa de Enlace de Datos

Debido a que los routers crean nuevos headers y trailers de enlace de datos y debido a que los nuevos

headers contienen direcciones de enlace de datos, las PCs y los routers deben tener una manera de

decidir cuáles direcciones de enlace de datos utilizar. Una de las formas en que el router decide cuál

dirección de enlace de datos utilizar es el IP Address Resolution Protocol (ARP).

ARP se usa para aprender dinámicamente las direcciones de enlace de datos de un host IP conectado a

una LAN.

Paquetes IP y el Header IP

Fig. 25 Header IPv4 (20 bytes)

A lo largo de este material así como de la segunda parte (ICND 2) se explicarán a detalle los campos. Por

el momento y a continuación, solamente se mostrará una breve descripción de cada uno.

Campo Significado

Versión Versión del protocolo IP. La mayoría de las redes actualmente usan la versión 4.

IHL IP header length o largo del encabezado IP. Define el largo del encabezado IP,

incluyendo campos opcionales.

Campo DS Differentiated Services Field. Se usa para hacer paquetes con el propósito de

aplicar diferentes niveles QoS (Quality of Service) a los diferentes paquetes.

Largo del paquete Identifica el largo entero del paquete IP incluyendo los datos.


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Identificación Usado para el proceso de fragmentación del paquete IP. Todos los fragmentos

del paquete original contienen el mismo identificador.

Banderas Son 3 bits usados por el proceso de fragmentación del paquete IP.

Fragment offset Un número utilizado para ayudar a los hosts a que re-ensamblen a los paquetes

fragmentados para convertirlos en su paquete original completo.

TTL Time to Live. Es un valor utilizado para evitar que se cicle el ruteo.

Protocolo Campo que identifica el contenido de la porción de datos dentro del paquete

IP. Por ejemplo, el protocolo 6 implica que un header TCP es lo primero en el

campo de datos del paquete IP.

Header Checksum Un valor utilizado para almacenar un valor FCS, cuyo propósito es determinar si

ocurrió algún error de bits en el header IP.

Dirección IP del

remitente

La dirección IP de 32 bits del remitente del paquete.

Dirección IP del

destino

La dirección IP de 32 bits del destinatario del paquete.

Addressing de la Capa de Red (Capa 3)

Los protocolos de la capa de red definen el formato y el significado de las direcciones lógicas. El término

“dirección lógica” es útil para hacer el contraste de ésta con la dirección física. Cada computadora que

necesita comunicarse, debe tener al menos una dirección de la capa de red para que otras

computadoras le puedan enviar paquetes hacia a esa dirección.

Las direcciones de la capa de red fueron diseñadas para permitir la agrupación lógica de direcciones.

Hay una porción en el valor numérico de una dirección que implica un grupo de direcciones, mismas que

pertenecen a un mismo grupo. Este grupo con direcciones IP es llamado red o subred.

Las direcciones de la capa de red se agrupan con base en una localización física en una red. La primer

parte de la dirección IP es la misma para todas las direcciones en una misma agrupación.

En inglés se llama network a una red. Para evitar confusión se utiliza el término internetwork para

referirse de una manera más general a una red compuesta de routers, switches, cables y otros equipos,

y el término network para referirse al concepto específico de una red IP.

El routing confía en que las direcciones de la capa 3 están agrupadas. Las tablas de routing para cada

protocolo de la capa de red pueden tener una sola dirección para indicar un grupo en lugar de una

dirección para cada destino de forma individual, esto con la intención de almacenar menos direcciones

pero aún así poder cotejar si una dirección pertenece a ese grupo o no.

Routing Protocols o Protocolos de Ruteo

En el ejemplo pasado de transferir datos de PC0 a PC1, los routers convenientemente saben cómo

transferir los datos. Para tomar las decisiones correctas, cada router necesita una tabla de ruteo o

routing table con una ruta que coincide con el paquete enviado a PC1. Las rutas le indican al router hacia

dónde reenviar el paquete a continuación.


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En la mayoría de los casos, los routers construyen dinámicamente el contenido de sus tablas de ruteo

usando un protocolo de ruteo. Los protocolos de ruteo aprenden las localizaciones de los grupos de

direcciones de la capa 3 dentro de una red y “anuncian” estas ubicaciones. Como resultado, cada router

puede construir dinámicamente una buena tabla de ruteo. Los protocolos de ruteo definen formatos de

mensajes y procedimientos al igual que cualquier otro protocolo. La meta de cada protocolo de ruteo es

llenar la tabla de ruteo con todos los grupos destino conocidos y con la mejor ruta hacia cada grupo.

NOTA: Un routing protocol o protocolo de ruteo aprende rutas y las coloca en una tabla de ruteo. Un

routed protocol o protocolo ruteado define el tipo de paquete reenviado o ruteado a través de una red.

Para el ejemplo que hemos estado manejando donde PC0 envía información a PC1, IP sería el protocolo

ruteado. Si los routers ocuparan Routing Information Protocol (RIP) para aprender las rutas, RIP sería el

protocolo de ruteo.

IP Addressing

Esta sección introduce el IP Addressing y el Subnetting, cubre los conceptos detrás de la estructura de

una dirección IP incluyendo cómo se relaciona con el ruteo IP. En el capítulo 12 se leerá sobre la

matemática detrás de estos conceptos.

Definiciones de IP Addressing

Para que un dispositivo pueda comunicarse usando TCP/IP, requiere tener una dirección IP. Además de

esto, requiere software y hardware apropiados y con ello podrá enviar y recibir paquetes IP. Un IP host

es un dispositivo que puede enviar y recibir paquetes.

La IP Versión 4 (IPv4) es la versión mundialmente más popular de IP. En el capítulo 12 se hablará

brevemente de la IPv6 pero en forma general dentro de este libro, todo lo que haga referencia a

direcciones IP será IPv4.

Las direcciones IP consisten en un número de 32 bits que usualmente se encuentra escrito en notación decimal separada por puntos. Cada byte (8 bits) de los 32 bits se muestra como su equivalente en decimal. Son entonces cuatro números decimales separados por un punto. Por ejemplo: 168.1.1.1 es una dirección IP escrita en su forma decimal y su equivalente en binario sería 10101000 00000001 00000001 00000001. Cada número decimal en una dirección IP se llama octeto. En realidad el término octeto únicamente es una forma neutral para el fabricante de llamar al byte. Bajo el ejemplo anterior, el primer octeto es 168. El rango de números decimales dentro de cada octeto siempre se encontrará entre 0 y 255, inclusivamente. Nótese que cada tarjeta de red en una computadora tiene una dirección IP. Una computadora puede tener dos o más direcciones IP trabajando simultáneamente, como en el caso de una laptop que esté usando Ethernet y además una wireless NIC. Lo mismo sucede con los routers, que típicamente tienen varias interfaces de red que reenvían paquetes IP y cada una de esas interfaces cuenta con su propia dirección IP.

Cómo se Agrupan las Direcciones IP

Las especificaciones originales de TCP/IP agrupaba las direcciones IP en conjuntos de direcciones

consecutivas, y estos grupos son llamados redes IP. Las direcciones en una sola red tienen el mismo


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valor numérico en la primera parte de las direcciones en la red. En la imagen a continuación se muestra

una internetwork que tiene tres redes IP separadas.

Fig. 26 Ejemplo de Red Utilizando Números de Red Clase A, B y C

Las convenciones del IP Addressing y el agrupamiento de las direcciones IP hacen que el ruteo sea más

fácil. Para el ejemplo de la figura anterior, todas las direcciones IP que comiencen con 8 se encuentran

en la red IP que contiene a todos los hosts en la Ethernet de la izquierda. Así, 199.1.1 es el prefijo para

todas las direcciones IP en la red que incluye las direcciones en el enlace serial. Las únicas dos

direcciones IP en este último grupo serán las direcciones IP en cada uno de los dos routers. Siguiendo

esta convención, los routers construyen una tabla de ruteo con tres entradas o direcciones: una para

cada prefijo o número de red. Trabajando sobre el mismo ejemplo, el router de la izquierda puede tener

una ruta que haga referencia a todas las direcciones que inicien con 134.0, con aquella ruta

direccionando al router a reenviar paquetes al router de la derecha.

Las dos siguientes reglas resumen las características de cuáles direcciones IP necesitan pertenecer al

mismo agrupamiento:

Todas las direcciones IP en el mismo grupo NO deben estar separadas por un router.

Las direcciones IP que estén separadas por un router deberán pertenecer a diferentes grupos

(redes o subredes).

El ruteo IP confía en el hecho de que todas las direcciones IP pertenecientes al mismo grupo (red o

subred) se encuentran en la misma localización general. Si alguna de las direcciones IP en mi red o

subred se permitiera estar en el otro lado de la internetwork, los routers en la red podrían enviar

incorrectamente algunos de los paquetes para mi computadora hacia el otro lado de la red.

Clases de Redes

El RFC 791 define el protocolo IP incluyendo varias Clases de red diferentes entre sí. IP define tres Clases

de red distintas, éstas son usadas por los hosts y se llaman unicast IP addresses o direcciones IP unicast.

Éstas tres Clases de red se llaman A, B y C. TCP/IP también define las direcciones Clase D (multicast) y

las direcciones Clase E (experimentales).


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Por definición, todas las direcciones en la misma Clase ya sea A, B o C tienen el mismo valor numérico en

la porción “red” de la dirección. El resto de la dirección es llamada “parte host”. Así, un router que se

encuentre a tres saltos de distancia, se preocupa solamente por el nombre de nuestra red.

Las redes de Clase A, B y C tienen una diferente longitud en la parte que identifica la red:

Las redes de Clase A tienen una longitud en su parte de red de 1 byte. Eso deja 3 bytes para el

resto de las direcciones, lo que es llamado “la parte de los hosts”.

Las redes de Clase B tienen una longitud en su parte de red de 2 bytes, dejando 2 bytes para la

porción de hosts.

Las redes de Clase C tienen una longitud en su parte de red de 3 bytes, dejando sólo 1 byte para

la parte de hosts.

Por ejemplo, para la red 8.0.0.0 que es una red de Clase A, tan sólo un octeto (byte) se usa para la parte

de Red en la dirección. Entonces todos los hosts en esta red iniciarán con 8. Similarmente, la red

130.4.0.0 es Clase B, y por tanto 2 de sus octetos definen la parte de red y todas las direcciones

comienzan con 134.4 como los primeros dos octetos.

La convención para escribir un número de red indica que primero se escribe la parte de red, seguida por

ceros decimales en la parte host del número. A continuación, considérese el tamaño de la red

dependiendo de su Clase. Las redes Clase A requieren 1 byte para la parte de red, permitiendo 3 bytes ó

24 bits para la parte host. Hay entonces 224 posibilidades diferentes de valores para la parte de hosts en

la dirección IP de una Clase A. Así, en una red Clase A habría 224 direcciones IP. Es importante considerar

que dos de estas direcciones son reservadas y no se consideran como posibles direcciones IP para hosts

ya que tienen un uso especial.

A continuación se muestra una tabla que resume las características de las redes Clase A, B y C, sin

realizar subnetting.

Cualquier red de esta

Clase

Número de bytes en la

parte red

Número de bytes en la

parte de host

Número de direcciones

por red (con dos

direcciones

reservadas)

A 1 Byte = 8 bits 3 Bytes = 24 bits 224 - 2

B 2 Bytes = 16 bits 2 Bytes = 16 bits 216 - 2

C 3 Bytes = 24 bits 1 Byte = 8 bits 28 - 2

Para el ejemplo de la figura anterior, sus direcciones IP se desmenuzarían en binario de la siguiente

manera:

Número de la Red Representación Binaria (parte de hosts en negritas)

8.0.0.0 00001000 00000000 00000000 00000000


10

130.4.0.0 10000010 00000100 00000000 00000000

199.1.1.0 11000111 00000001 00000001 00000000

A pesar de que los números de red parecen direcciones IP debido a su nomenclatura, los números de

red no pueden ser asignados a una interfaz para ser usada por una dirección IP. Conceptualmente, los

números de red representan un grupo de direcciones IP en la red.

Además del número de red, un segundo valor en notación decimal separada por puntos está reservado

en cada red. Nótese que el primer valor reservado (el número de red) tiene ceros binarios en todas sus

posiciones de la parte de host. El otro valor reservado es aquél en el que todas las posiciones de la parte

de host están ocupadas por 1’s binarios. Este número se llama network broadcast o directed broadcast

address. De la misma forma, este número no puede ser asignado a un host como dirección IP. Los

paquetes enviados a una dirección de red de broadcast resultan reenviados a todos los dispositivos

pertenecientes a la red.

Debido a que el número de la red es el valor numérico más pequeño dentro de la red y la dirección de

broadcast es el valor numérico más alto, todos los números entre estos dos son válidos: son direcciones

IP útiles para ser usadas en interfaces de direcciones en la red.

Los Números de Red Clase A, Clase B y Clase C

La Internet se compone por casi todas las redes basadas en IP y casi todas las computadoras host TCP/IP

en el mundo. El diseño original de la Internet requería varias características que cooperaran entre sí

para hacerla posible técnicamente así como administrable.

Cada computadora conectada a la Internet requiere una dirección IP única y no duplicada.

Administrativamente, una autoridad central asignó redes Clase A, B y C a compañías, gobiernos,

sistemas escolares e ISP’s basándose en el tamaño de su red IP: Clase A para redes grandes,

Clase B para redes medianas y Clase C para redes pequeñas.

La autoridad central asignó cada número de red a únicamente una organización, para

asegurarse de que hubiese una asignación única a nivel mundial.

Cada organización con una red asignada Clase A, B o C, asignó posteriormente direcciones IP

individuales dentro de su propia red.

La organización que está a cargo de la asignación de direcciones IP universalmente es la Internet

Corporation for Assigned Network Numbers (ICANN). Existen también otros organismos involucrados

como autoridades regionales.

A continuación se muestra una tabla que describe los números de red posibles que pueden ser

asignados de acuerdo a su Clase.


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Clase Rango del Primer

Octeto

Números de Red

válidos

Número Total

para esta Clase

de Red

Número de hosts

por Red

A 1 a 126 1.0.0.0 a 126.0.0.0 27 – 2(126) 224 – 2(16,777,214)

B 128 a 191 128.0.0.0 a

191.255.0.0

214 – (16,384) 216 – 2(65,534)

C 192 a 223 192.0.0.0 a

223.255.255.0

221 – (2,097,152) 28 – 2(254)

La columna de Números de Red Válidos muestra verdaderos números de red. La red 0.0.0.0

originalmente fue definida para uso como dirección de broadcast. La red 127.0.0.0 está disponible para

su uso como dirección loopback. Ambas redes están reservadas, es decir, no pueden ser usadas como

nombres de red para una compañía.

IP Subnetting

El IP subnetting toma una sola red de Clase A, B o C, y sin que la red deje de existir la subdivide en

grupos más pequeños de direcciones IP. Cada subdivisión es tratada por el subnetting como si fuera otra

red.

A continuación se muestra una imagen de una red sin subnetting.


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Fig. 27 Backdrop para Comentar los Números de Diferentes Redes/Subredes

En el diseño anterior, hay 6 grupos de direcciones IP, cada uno de los cuales es una red de Clase B de

acuerdo al ejemplo. Cada una de las cuatro LANs usa una sola red de Clase B. Es decir, cada una de las

redes conectadas a los routers A, B, C y D es una red independiente. Adicionalmente, las dos interfaces

seriales que componen el enlace serial punto-a-punto entre los routers C y D usan una red IP porque

estas dos interfaces no se encuentran separadas por un router. Finalmente, las tres interfaces de router

que componen la red Frame Relay con los routers A, B, y C no están separadas por un router IP y usarían

una sexta red IP.

Cada red de Clase B tiene (216 -2) direcciones de host. Dentro de la figura anterior podemos observar

una Ethernet que se encuentra en la parte superior izquierda. Esta sólo debe contener direcciones que

comiencen con 150.1. Así, las direcciones que comiencen con 150.1 no pueden ser asignadas en ninguna

otra parte de la red mas que en la parte superior izquierda de la red. Entonces, si nos hacen falta

direcciones IP en algún otro lado, no se pueden usar las muchas direcciones inutilizadas que inicien con

150.1 y como resultado, la figura anterior está desperdiciando demasiadas direcciones IP.

A continuación se muestra el mismo ejemplo pero ahora usando subnetting.


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Fig. 28 Usando Subredes

Tal y como ocurre en el ejemplo sin subnetting, en el diseño de esta figura se requieren seis grupos. A

diferencia de la imagen anterior, esta sí utiliza seis subredes, cada una de las cuales es una subred de

una sola red de Clase B. Este diseño subdivide la red Clase B 150.150.0.0 en seis subredes. Para realizar

el subnetting, el tercer octeto (en este ejemplo) es utilizado para identificar subredes únicas de la red

150.150.0.0.

Cuando se hace subnetting, una tercera parte de una dirección IP aparece entre la parte de red y la de

hosts de la dirección. Este campo se crea “tomando prestados” bits de la parte de hosts de la dirección.

El tamaño de la parte de red de la dirección jamás se encoge. En otras palabras, las reglas de la Clase A,

B y C aún aplican al definir la parte de red de una dirección. La parte de hosts de la dirección sí encoge

para dar espacio para la subred que es parte de la dirección.

La siguiente figura muestra el formato de las direcciones cuando se hace subnetting, representando el

número de bits en cada una de las tres partes de una dirección IP.


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Fig. 29 Formatos de las Direcciones haciendo Subnetting (Classful)

Ahora, en lugar de rutear con base en la parte “red” de una dirección, los routers pueden rutear

basándose en la red combinada y sus partes de subred. Por ejemplo, cuando Kris envía un paquete a

Hannah (150.150.2.1), el router C tiene una ruta IP que lista información que significa “todas las

direcciones que comienzan con 150.150.2”. Ese mismo router le dice al router C que a continuación

reenvíe el paquete al router B. Nótese que la información en la tabla de ruteo incluye tanto la parte de

red como la de subred de la dirección, ya que ambas partes estando juntas identifican el grupo.

Los conceptos mostrados en la figura anterior con las tres partes de la dirección IP (red, subred y host)

se llaman classful addressing. Este término se refiere a cómo se piensa en las direcciones IP,

específicamente que tienen tres partes. En particular, classful addressing quiere decir que se aprecia la

dirección como teniendo una parte de red que se determina basándose en las reglas del addressing de

Clase A, B y C.

Debido a que el proceso de routing considera juntas las partes de la dirección de red y subred, las

direcciones IP se pueden observar como classless addressing, y con ello en lugar de considerar tres

partes, se tienen solamente dos: la parte en la cual se basa el ruteo y la parte host.

Parte en la cual se basa el ruteo.- Es una combinación de las partes de red y subred desde la

visión classful addressing. Esta primera parte es simplemente llamada “parte de subred” o bien

“prefijo”.

Fig. 30 Formatos de direcciones usando Subnetting (Classless)

Parte host.

Finalmente, el IP Addressing con subnetting usa un concepto llamado máscara de subred. Una máscara

de subred ayuda a definir la estructura de una dirección IP, como se muestra en las imágenes anteriores

haciendo referencia a classful y classless. En el capítulo 12 se explican detalles sobre la máscara de

subred.


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Ruteo IP

Esta sección se enfoca en cómo el host origen elige a dónde enviar el paquete así como la forma en que

los routers eligen a dónde rutear o reenviar paquetes a su destino final.

Host Routing

A continuación se muestra la lógica simple de routing que utilizan los hosts para elegir hacia dónde

enviar el paquete:

Paso 1: Si la dirección IP destino está en la misma subred en que me encuentro yo, enviar el paquete

directamente a ese host destino.

Paso 2: Si la dirección IP destino está en una subred diferente a la que me encuentro yo, enviar el

paquete al default Gateway (la interfaz Ethernet de un router en una subred.

Por ejemplo, considere la siguiente figura y note en la LAN de Ethernet en la parte superior de la figura.

La Ethernet de arriba tiene dos PC’s etiquetadas como PC0 y PC10, además del Router R0. Cuando la PC0

envía un paquete a 150.150.1.10 (la dirección de la PC10), la PC0 envía el paquete por la Ethernet a PC10

y no hay necesidad de molestar al router.


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Fig. 31 Alternativas de Host Routing

Alternativamente, cuando la PC0 envía un paquete a PC1 (150.150.4.10), PC0 reenvía el paquete a su

Gateway por default de 150.150.1.4, el cual es la dirección IP de la interfaz Ethernet del R0 de acuerdo al

paso 2 en la lógica del host routing.

Decisiones del Router para Reenvío y la Tabla IP de Ruteo

Para entender mejor la decisión de reenvío del router, esta sección utiliza un ejemplo que incluye tres

routers diferentes reenviando un paquete.

Un router utiliza la siguiente lógica cuando recibe un frame de enlace de datos – un frame que lleva

dentro un paquete IP encapsulado.

Paso 1: Usa el campo FCS de enlace de datos para asegurar que el frame no tuvo errores; si ocurrieron

errores, descartar el frame.

Paso 2: Asumiendo que el frame no fue descartado en el paso 1, descartar los viejos header y trailer de

enlace de datos, dejando el paquete IP.


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Paso 3: Comparar la dirección IP destino del paquete con la tabla de ruteo y encontrar la ruta que

coincide con la dirección destino. Esta ruta identifica la interfaz de salida del router y posiblemente el

router hacia el cual se hace el siguiente salto.

Paso 4: Encapsular el paquete IP dentro de un nuevo header y trailer de enlace de datos apropiados

para la interfaz de salida. Reenviar el frame.

Siguiendo estos pasos, cada router envía el paquete a la siguiente localidad hasta que el paquete alcance

su destino final.

Ahora se dará un enfoque en la tabla de ruteo y el proceso de comparación que ocurre en el paso 3. El

paquete tiene una dirección IP destino en el header, mientras que la tabla de ruteo típicamente tiene

una lista de redes y subredes. Para empatar una entrada en la tabla de ruteo, el router piensa así: “Los

números de red y subred representan un grupo de direcciones que inician con el mismo prefijo. ¿En cuál

de los grupos de mi tabla de ruteo reside la dirección destino de este paquete?

A continuación se tomará la misma topología de la figura anterior, pero en esta ocasión se tratará de

enviar la información de PC0 a PC1. Los pasos a seguir son los siguientes:

Fig. 32 Ejemplo Simple de Ruteo con Subredes IP

Paso A: La PC0 envía el paquete hacia su Gateway por default. La PC0 construye el paquete IP

incluyendo la dirección destino de la PC1 (150.150.4.10). La PC0 requiere enviar el paquete al R0 (es el

Gateway por default para PC0) debido a que la dirección destino se encuentra en una subred diferente.


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La PC0 coloca el paquete IP en un frame de Ethernet con la dirección Ethernet de destino del R0. La PC0

envía el frame dentro de la Ethernet.

Paso B: El R0 procesa el frame entrante y reenvía el paquete a R1. Debido a que el frame entrante

tiene una MAC destino de la Ethernet del R0, el R0 copia el frame hacia la Ethernet para procesarlo. El R0

checa el FCS del frame y no han ocurrido errores (Paso 1). Entonces el R0 descarta el header y el trailer

de Ethernet (Paso 2). A continuación, el R0 compara la dirección destino del paquete (150.150.4.09) con

la tabla de ruteo y encuentra una entrada para la subred 150.150.4.0, la cual incluye las direcciones

desde 150.150.4.0 hasta 150.150.4.255 (Paso 3). Debido a que la dirección destino se encuentra en este

grupo, el R1 reenvía el paquete a la interfaz de salida Serial0 al router de siguiente salto R1 (150.150.2.7)

después de encapsular el paquete en un frame HDLC (Paso 4).

Paso C: El R1 procesa el frame entrante y reenvía el paquete a R2. El R1 repite el mismo proceso

general que R0 cuando R1 recibe el frame HDLC. El R1 checa el campo FCS y encuentra que no

ocurrieron errores (Paso 1). El R1 desecha el header y trailer del HDLC (Paso 2). A continuación, el R1

encuentra su ruta a través de la subred 150.150.4.0 – la cual incluye el rango de direcciones de

150.150.4.0 a 150.150.4.255 – y se percata que la dirección destino del paquete 150.150.4.9 coincide

con la ruta (Paso 3). Finalmente, el R1 envía el paquete por la interfaz Serial1 al router de siguiente salto

150.150.3.1 (R2) luego de haber encapsulado el paquete en un header de Frame Relay (Paso 4).

Paso D: El R2 procesa el frame entrante y reenvía el paquete a la PC1. Al igual que el R0 y R1, el R2

checa el FCS, desecha los viejos header y trailer de enlace de datos y compara su propia ruta para la

subred 150.150.4.0. La tabla de ruteo del R2 tiene una entrada que contiene 150.150.4.0 y que muestra

que la interfaz de salida es la Ethernet de R2 pero no hay un router de siguiente salto debido a que R2

está directamente conectado con la subred 150.150.4.0. Todo lo que el R2 debe hacer es encapsular el

paquete dentro de un header y trailer de Ethernet, con una dirección de Ethernet destino de la MAC

address de la PC1, y reenviar el frame.

El proceso de ruteo se basa en las reglas relacionadas al IP addressing. ¿Y por qué el 150.150.1.09 (PC0)

asume que 150.150.4.10 (PC1) no está en la misma Ethernet? Es porque 150.150.4.0 (que es la subred

de PC1) es diferente de 150.150.1.0, que es la subred de PC0. Ya que las direcciones IP en diferentes

subredes deben ser separadas por un router, PC0 necesita enviar el paquete a un router, y lo hace. Así, si

alguien intentara colocar a PC1 en alguna otra parte de la red aún usando 150.150.4.10, los routers

reenviarían paquetes al lugar equivocado.

Protocolos IP de Ruteo

El proceso de ruteo (renvío) depende fuertemente de tener una tabla de ruteo totalmente actualizada

en cada router. Los protocolos de IP de ruteo llenan las tablas de ruteo de los routers con rutas válidas y

que no se ciclan. Cada ruta incluye un número de subred, una interfaz sobre la cual se reenvían los

paquetes y la dirección IP del siguiente router que debería recibir los paquetes destinados para esa

subred (si se necesitara).

Los objetivos de un protocolo de ruteo son los siguientes:

Aprender dinámicamente y llenar la tabla de ruteo con una ruta para todas las subredes en la

red.


19

Si se encuentra disponible más de una ruta para una subred, colocar la mejor de las rutas en la

tabla de ruteo.

Saber cuándo ya no son válidas las rutas en la tabla y removerlas de la tabla de ruteo.

Si una ruta es removida de la tabla de ruteo y está disponible otra ruta a través de otro router

cercano, agregar la ruta a la tabla de ruteo.

Agregar nuevas rutas o reemplazar rutas perdidas con la mejor ruta disponible tan pronto

como sea posible. Al tiempo entre que se pierde una ruta y se encuentra una ruta de reemplazo

que funcione es llamado tiempo de convergencia.

Evitar que las rutas se ciclen.

Los protocolos de ruteo siguen estos pasos generales para encontrar rutas en una red:

Paso 1: Cada router agrega una ruta a su tabla de ruteo para cada subred directamente conectada al

router.

Paso 2: Cada router notifica a sus vecinos sobre todas las rutas que posee en su tabla de ruteo,

incluyendo las rutas directamente conectadas y las rutas aprendidas por otros routers.

Paso 3: Después de haber aprendido una nueva ruta de un vecino, el router agrega una ruta a su tabla

de ruteo, con el router de siguiente salto típicamente siendo el vecino del cual se aprendió la ruta.

Por ejemplo, la siguiente figura muestra el mismo ejemplo que en las dos figuras anteriores pero ahora

enfocándose en cómo cada uno de los tres routers aprendió a la subred 150.150.4.0.


20

Fig. 33 Router R0 Aprendiendo a la Subred 150.150.4.0

Los pasos A, B, C y D mostrados en la figura muestran cómo cada router aprende su ruta hacia

150.150.4.0.

Paso A: El R2 aprende una ruta que hace referencia hacia su propia interfaz E0 debido a que la subred

150.150.4.0 está directamente conectada (Paso 1).

Paso B: El R2 envía un mensaje de protocolo de ruteo, llamado routing update, hacia R1, provocando

que R1 aprenda a la subred 150.150.4.0 (Paso 2).

Paso C: El R1 envía un routing update similar a R0, provocando que R0 aprenda a la subred 150.150.4.0

(Paso 2).

Paso D: La ruta de R0 hacia 150.150.4.0 enlista 150.150.2.7 (dirección IP de R1) como la dirección de

siguiente salto, ya que R0 aprendió la ruta a partir de R1. La ruta también enlista en la interfaz de salida

de R0 a Serial0, porque R0 aprendió la ruta a partir del update que llegó por Serial0 (Paso C en la figura).

Nota: Los routers no siempre hacen referencia a la dirección IP del router vecino como el próximo salto.

Utilidades de la Capa de Red

150.150.1.0

9

150.150.1.1

0

150.150.1.

0 150.150.1.

4

S0

S1

E0

150.150.4.1

0

150.150.2.

7

150.150.3.

1

150.150.4.

0

Router por Default

150.150.1.4

D

Tabla de Ruteo de R1

Subred

150.150.4.

0


A

Subred

150.150.4.

0

C

B


Subred Interfaz de salida Siguiente salto

150.150.4.0 Serial0 150.150.2.7


21

En esta sección se hablará de cuatro herramientas usadas casi todos los días y en casi todas las redes

TCP/IP en el mundo para ayudar a la capa de red con su tarea de rutear paquetes de punto a punto a

traves de una internetwork.

Estas cuatro herramientas son:

Address Resolution Protocol (ARP)

Domain Name System (DNS)

Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)

Ping

Address Resolution Protocol y el Domain Name System

Para la interacción humana es más fácil recordar un nombre que recordar un número. Por eso TCP/IP

necesita protocolos que descubran dinámicamente toda la información necesaria para permitir la

comunicación aún sin que el usuario sepa más que un nombre.

TCP/IP necesita una manera de permitir que una computadora encuentre la dirección IP de otra

computadora basándose en su nombre. TCP/IP también necesita una forma de encontrar las MAC

addresses asociadas con otras computadoras en la misma subred LAN. En la siguiente figura se muestra

el problema.

En este ejemplo, Alejandra necesita comunicarse con un servidor en la PC de Jésica. Alejandra sabe su

propio nombre, dirección IP y dirección MAC. Lo que Alejandra no sabe es la dirección IP de Jésica ni sus

direcciones MAC. Para descubrir las dos características faltantes, Alejandra usa DNS para encontrar la

dirección IP de Jésica y usa ARP para saber las direcciones MAC de Jésica.

Fig. 34 Alejandra conoce el nombre de Jésica pero necesita su dirección IP y direcciones MAC

* Las letras en cursiva indican la información faltante que Alejandra necesita aprender.

Eth IP UDP Datos Eth

MAC Address destino = ????.????.????

MAC Address origen = 0200.1111.1111

Dirección IP destino = ?.?.?.?

Dirección IP origen = 10.1.1.1

Eth IP UDP Datos Eth

MAC Address destino = ????.????.????

MAC Address origen = 0200.1111.1111

Dirección IP destino = ?.?.?.?

Dirección IP origen = 10.1.1.1


22

Resolución del Nombre DNS

Alejandra sabe la dirección IP de un servidor DNS porque la dirección ya sea que estuviera configurada

en la computadora de Alejandra o se aprendió mediante DHCP. Tan pronto como Alejandra identifique

de alguna manera el nombre de la otra computadora (por ejemplo, jesica.ejemplo.com), ella envía una

solicitud de DNS al DNS, solicitando la dirección IP de Jésica. El DNS contesta con la dirección, 10.1.1.2.

El proceso ARP

Tan pronto como el host sabe la dirección IP del otro host, el host remitente podría necesitar saber la

dirección MAC usada por la otra computadora. En el ejemplo, Alejandra aún necesita saber la dirección

MAC Ethernet usada por 10.1.1.2, así que Alejandra realiza algo llamado ARP broadcast. Un ARP

broadcast es enviado a una dirección Ethernet de broadcast para que todos en la LAN lo reciban. Ya que

Jésica está en la misma LAN, ella también recibe el ARP broadcast. Debido a que la dirección IP de Jésica

es 10.1.1.2 y el ARP broadcast está buscando a la MAC address asociada con 10.1.1.2, Jésica contesta

con su dirección MAC.

En otras palabras, es como si todos los miembros pertenecientes a la LAN se encontraran en un mismo

salón y entonces Alejandra levanta la voz solicitando que quien sea 10.1.1.2 le indique su MAC address.

Jésica se da cuenta que se trata de ella misma, así que contesta con su dirección MAC.

Ahora Alejandra ya conoce la dirección IP destino y las direcciones IP que debe usar cuando envíe

frames a Jésica y el paquete ya puede ser enviado exitosamente.

Los hosts pueden o no necesitar ARP para conocer la MAC address del host destino basado en la lógica

de ruteo de dos pasos usada por un host. Si el host destino se encuentra en la misma subred, el host

remitente envía un ARP buscando la MAC address del host destino, pero si se encuentran en diferentes

subredes, la lógica de ruteo del host remitente resulta en que requerirá reenviar el paquete a su

gateway por default. Para el ejemplo que hemos estado llevando, si Alejandra y Jésica se encontraran

en diferentes subredes, la lógica de ruteo de Alejandra habría querido enviar el paquete a su gateway

por default. Y en ese caso, Alejandra habría usado ARP para descubrir la MAC address del router en lugar

de la MAC address de Jésica.

Adicionalmente, los hosts necesitan usar ARP para conocer las direcciones MAC tan sólo de vez en

cuando. Cualquier dispositivo que use IP deberá retener o almacenar en caché la información aprendida

con ARP, colocando así la información en su caché de ARP. Cada vez que un host necesita enviar un

paquete encapsulado en un frame de Ethernet, primero revisa su caché de ARP y usa la dirección MAC

de ahí. Si la información correcta no se encuentra enlistada en el caché de ARP, el host usa entonces

ARP para descubrir la dirección MAC usada por una dirección IP en particular. También, un host aprende

información ARP cuando recibe un ARP. Como en la figura anterior, el proceso de ARP mostrado

resultará en que tanto Alejandra como Jésica aprendan la dirección MAC de la otra.

Nota: Es posible visualizar la información almacenada en el caché de ARP en la mayoría de los sistemas

operativos de una PC utilizando el comando arp –a desde un command prompt.

Asignación de Dirección y DHCP

Cada interfaz de un dispositivo que utiliza TCP/IP requiere una dirección IP válida. Para algunos

dispositivos, la dirección puede y debe ser asignada estáticamente configurando el dispositivo. Todos los

sistemas operativos comúnmente usados y que soportan TCP/IP, permiten al usuario configurar su


23

dirección IP estáticamente en la interfaz. Los routers y switches también usan direcciones IP

configuradas estáticamente, así como los servidores.

Usar una dirección IP configurada estáticamente es de utilidad porque todas las referencias hacia ese

servidor pueden permanecer iguales al paso del tiempo, de esta manera se puede alcanzar el servidor

consistentemente, desde cualquier lugar y siempre sabiendo cómo hacerlo.

Por otro lado, el host de un usuario final común no necesita usar la misma dirección IP todos los días. Un

ejemplo a esta situación es el siguiente: Yo tengo interés en saber siempre dónde se encuentra mi

tienda favorita –el router siempre tiene la misma IP- pero a mi tienda favorita no le es de interés si yo

vivo a una cuadra y al día siguiente a 3 cuadras – el host puede variar día con día-.

DHCP define los protocolos usados para permitir a las computadoras solicitar el uso momentáneo de

una dirección IP. DHCP utiliza un servidor y éste guarda una lista de direcciones IP disponibles en cada

subred. Los clientes de DHCP pueden enviar al servidor de DHCP un mensaje solicitando le sea prestada

una dirección IP y entonces el servidor sugiere una dirección IP. Si es aceptada, el servidor nota que la

dirección ya no se encuentra disponible para ser asignada a otros hosts y el cliente tiene ahora una

dirección IP para usar.

DHCP entrega direcciones IP a sus clientes pero también entrega otros datos a sus hosts cuando

requieren saber información sobre sí mismos como su dirección IP, qué máscara de subred utilizar, qué

gateway por default utilizar, así como la dirección IP de cualquier servidor DNS.

La siguiente figura muestra un conjunto típico de cuatro mensajes usados con un servidor DHCP para

asignar una dirección IP, así como otra información. Nótese que los primeros dos son mensajes IP de

broadcast.

En la figura se muestra el servidor DHCP como una PC, lo cual es típico en la red de una compañía. Aún

así, es necesario saber que los routers ofrecen servicios DHCP. De hecho, los routers pueden proveer

una función de servidor DHCP, asignando dinámicamente direcciones IP a las computadoras en una

pequeña oficina, usando funciones de cliente DHCP para arrendar dinámicamente direcciones IP desde

un Internet Service Provider (ISP).

Fig. 35 Mensaje de DHCP para adquirir una dirección IP

DHCP se ha convertido en un protocolo prolífico. Muchos hosts de usuarios finales en LANs en redes

corporativas obtienen sus direcciones IP y otras configuraciones básicas vía DHCP.

1 Mensaje de descubrimiento DHCP (Broadcast en LAN)

Mensaje de ofrecimiento DHCP dirigido al cliente

Mensaje de solicitud DHCP dirigido al servidor

Acuse de recibo DHCP dirigido al cliente

23

4

1

2

3

4

Broadcast para desccubrir el servidor

Ofrecimiento para proveer el servicio DHCP

Solicitud de información

Acuse de recibo con la información (Dirección IP, máscara, Gateway, etc.)

1 Mensaje de descubrimiento DHCP (Broadcast en LAN)




23

4

1

2

3

4

Broadcast para desccubrir el servidor

Ofrecimiento para proveer el servicio DHCP

Solicitud de información

Acuse de recibo con la información (Dirección IP, máscara, Gateway, etc.)


24

Eco ICMP y el comando Ping

Después de haber implementado una red, se requiere una manera para probar conectividad básica sin

requerir que otras aplicaciones estén funcionando. La herramienta principal para probar conectividad

básica en la red es el comando ping. Ping significa Packet Internet Groper y utiliza el Internet Control

Message Protocol (ICMP), enviando un mensaje llamado ICMP echo request a otra dirección IP. La

computadora con esa dirección IP debe contester con un ICMP echo reply. Si eso funciona, se ha

probado con éxito la red IP. Es decir, ahora se sabe que es posible entregar un paquete IP de un host a

otro y de regreso. ICMP no requiere otra aplicación para funcionar, por lo que realmente sólo prueba

conectividad básica de las capas 1, 2 y 3 del modelo OSI.


25

Actividad 13.

Con los siguientes elementos a completa al paquete IPV 4

Destination IP Address DS Field Flags

Source IP Address Version Protocol

Header Length Packet Length Identification

Fragment Offset Time to Live

Header Checksum


26

Actividad 14.

Con los siguientes elementos a completa la tabla de acuerdo al significado

Destination IP Address DS Field Flags

Source IP Address Version Protocol

Header Length Packet Length Identification

Fragment Offset Time to Live

Header Checksum


27

Actividad 15.

A completar la siguiente tabla de redes:

Clase Rango del

1er Octeto

Número valido

de redes

Número de

Nodos

Número de

Redes

A

B

C


28

Actividad 16.

¿Cómo un cliente de DHCP adquiere una IP?:


Mensaje de descubrimiento DHCP



1 ______________________________________________

2 ______________________________________________

3 ______________________________________________

4 ______________________________________________


29

Escenario 1.

En el negocio de Materiales de Construcción “La cuchara alegre”, está

conformada por las siguientes áreas:

mostrador 3 personas que atienden

bodega jefe de almacén

contabilidad contador y auxiliar

dueño Miguel

Crear en Packet Tracer un modelo de red de “La cuchara alegre”,

mediante el uso HUB, cablear las computadoras para que se puedan ver

entre ellas utilizando el comando PING e IP de tipo 10.0.0.1 al 10.0.0.10

------------------------------------------------------------------------------------------

Escenario 2.

En el negocio de Materiales de Construcción “La cuchara alegre”, está

conformada por las siguientes áreas:

mostrador 3 personas que atienden

bodega jefe y auxiliar de almacén

contabilidad contador y auxiliar

dueño Miguel

Crear en Packet Tracer un modelo de red de “La cuchara alegre”,

mediante el uso de un SWITCH por área, se le solicita diseñar una red

clase C, para 8 computadoras, en la que todas las computadoras estén

conectadas, cablear y configurar el IP para que las computadoras se

puedan ver entre ellas utilizando el comando PING.


30

Actividad 17.

Convertir las siguientes direcciones a formato binario, obtener su máscara identificar a que clase

pertenecen y determinar los IPs solicitados

a) 172.16.2.10/24

Binario: _______________________________________________________________

Mascara: ______________________________________________________________

Clase: _________________________________________________________________

RED: __________________________________________________________________

Rango de IP válidas: _____________________________________________________

Broadcast: _____________________________________________________________

b) 10.6.24.20/20

Binario: _______________________________________________________________

Mascara: ______________________________________________________________

Clase: _________________________________________________________________

RED: __________________________________________________________________


Broadcast: _____________________________________________________________


31

c) 10.30.36.12/24

Binario: _______________________________________________________________

Mascara: ______________________________________________________________

Clase: _________________________________________________________________

RED: __________________________________________________________________


Broadcast: _____________________________________________________________

d) 172.16.2.200/16

Binario: _______________________________________________________________

Mascara: ______________________________________________________________

Clase: _________________________________________________________________

RED: __________________________________________________________________


Broadcast: _____________________________________________________________

e) 192.10.114.3/25

Binario: _______________________________________________________________

Mascara: ______________________________________________________________

Clase: _________________________________________________________________

RED: __________________________________________________________________


Broadcast: _____________________________________________________________


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